楊 哲，鄒書平，李翠翠，曹 水，李 源

(1.貴州省大氣探測技術(shù)與保障中心，貴州 貴陽 550081；2.貴州省冰雹防控工程技術(shù)中心，貴州 貴陽 550081;3.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽 550081)

0 引言

雷達(dá)回波強(qiáng)度(dBz)是雷達(dá)反射率因子(Z)對數(shù)值，其值大小反映了氣象目標(biāo)內(nèi)部降水粒子的尺度和密度分布，它可以用來推斷回波變化規(guī)律及辨別降水類型[1]，是天氣雷達(dá)所有探測數(shù)據(jù)中應(yīng)用最多，也是最基本的一種數(shù)據(jù)。胡明寶等[2]對雙偏振多普勒天氣雷達(dá)和新一代SA天氣雷達(dá)反射率因子值做了對比分析，結(jié)果表明雙偏振天氣雷達(dá)測量的反射率因子值比SA雷達(dá)要弱點(diǎn)，李毅聰[3]等比對分析了X波段移動雷達(dá)與S波段新一代天氣雷達(dá)產(chǎn)品，表明兩部雷達(dá)強(qiáng)度中心、回波強(qiáng)度及分布范圍存在一定的差異，X 波段雷達(dá)在60 km探測范圍內(nèi)雷達(dá)回波強(qiáng)度略強(qiáng)，之后隨之減弱。

威寧縣地處貴州西北邊陲、云貴高原臺地斜坡過渡帶[4]，平均海拔高、氣候多變[5]，是貴州省多個(gè)冰雹發(fā)展路徑的起源地[6]，而威寧縣又是全國最大最優(yōu)質(zhì)烤煙種植基地之一，冰雹對其農(nóng)作物危害極其巨大，因此精準(zhǔn)化人工防雹就顯得特別重要。X波段雙偏振雷達(dá)對相態(tài)粒子具有一定的探測能力，可用于人工防雹作業(yè)的精準(zhǔn)指揮。由于地形條件、雷達(dá)探測性能的差異，X波段雙偏振雷達(dá)與昭通新一代C波段天氣雷達(dá)對強(qiáng)對流天氣過程的探測回波強(qiáng)度有一定的差異，這會對人工防雹作業(yè)的精準(zhǔn)指揮產(chǎn)生一定的影響，因此需要對威寧X波段雙偏振雷達(dá)的回波強(qiáng)度進(jìn)行必要的對比分析。

1 雷達(dá)介紹

云南昭通新一代C波段天氣雷達(dá)(以下簡稱昭通雷達(dá))是由安徽四創(chuàng)公司生產(chǎn)的中國氣象局全國布網(wǎng)雷達(dá)，經(jīng)過十多年的業(yè)務(wù)運(yùn)行，可靠性高，有定期的周維護(hù)、月維護(hù)、年維護(hù)等各種保障措施，因此可以以昭通雷達(dá)為基準(zhǔn)進(jìn)行研究。

表1 兩部雷達(dá)主要參數(shù)對比Tab.1 Comparison of the main parameters of two radars

2 數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)表1昭通雷達(dá)站與威寧雪山雷達(dá)站的經(jīng)緯度可計(jì)算出兩部雷達(dá)地面直線距離約為49.179 4 km，兩部雷達(dá)的相對位置如下圖所示。

圖1 昭通和威寧雷達(dá)位置圖Fig.1 Zhaotong and Weining Radar Position

要對兩部雷達(dá)進(jìn)行對比觀測，首先應(yīng)確保兩部雷達(dá)觀測區(qū)域一致，取其中間線(綠線)附近的回波可有效減小因空間不一致造成的觀測誤差；其次保證時(shí)間上的一致性，在實(shí)際觀測中很難做到兩部雷達(dá)完全同步，可認(rèn)為觀測時(shí)間差在2 min內(nèi)算時(shí)間同步[8]。

為盡可能的減小觀測誤差，需對兩部雷達(dá)中線區(qū)域做更深層次分析。若兩部雷達(dá)以相同仰角觀測其連接線的中點(diǎn)區(qū)域，那么因大氣折射和地球曲率產(chǎn)生的波束高度訂正值是相同的，兩部雷達(dá)的波束高度差就等于其海拔高度之差，即468.3 m。在中點(diǎn)位置(即距威寧雷達(dá)站或昭通雷達(dá)站1/2×49.179 4 km=24.589 7 km)處，昭通雷達(dá)的波束寬度距離BC為407.7 m，威寧雷達(dá)的波束寬度距離BX為416.3 m，由于2個(gè)雷達(dá)站海拔高度差大于雷達(dá)自身波束寬度，在相同仰角下垂直方向不會有重疊區(qū)域，在保證兩部雷達(dá)仰角相差不大于10°的條件下大氣折射和地球曲率造成的波束高度訂正值差異可忽略不計(jì)[9]，將昭通雷達(dá)抬高一個(gè)仰角可與威寧雷達(dá)有重疊區(qū)域，下面以威寧雷達(dá)4.3°仰角和昭通雷達(dá)5.3°仰角為例進(jìn)行分析，其中威寧雷達(dá)海拔高度AX為2 472 m；昭通雷達(dá)海拔高度AC為2 003.7 m。

H1為威寧雷達(dá)4.3°俯仰角時(shí)24.589 7 km處(即兩部雷達(dá)中點(diǎn)處)的波束高度；H2為昭通雷達(dá)5.3°俯仰角時(shí)24.589 7 km處的波束高度。由圖2可得：

圖2 威寧、昭通雷達(dá)中點(diǎn)處俯仰示意圖Fig.2 Pitch Diagram at Midpoint Of Weining And Zhaotong Radar

H1=24.589 7 km×tan(4.3°)=1 848.9 m

H2=24.589 7 km×tan(5.3°)=2 281.1 m

威寧雷達(dá)波束所在高度：

HX=AX+H1=4 320.5 m

昭通雷達(dá)波束所在高度：

情況 6 設(shè)d(v)=8,則f3(v)≤?」=4,且ch(v)=8-4=4。由權(quán)轉(zhuǎn)移規(guī)則知8-點(diǎn)轉(zhuǎn)給3-點(diǎn),3-面權(quán)值,當(dāng)8-點(diǎn)作為三角形的外鄰點(diǎn)時(shí)也轉(zhuǎn)給三角形權(quán)值。

HC=AC+H2=4 241.5 m

兩部雷達(dá)在垂直方向的重疊區(qū)域長度：

L1=HC+BC-HX=371.6 m

兩部雷達(dá)在此處的總波束寬度的長度：

L2=HX+BX-HC=452.4 m

兩部雷達(dá)在此處的重疊區(qū)域占總波束寬度的82.1%。利用此方法計(jì)算對應(yīng)仰角有重疊區(qū)的占比，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如2。

表2 各組仰角重疊占比統(tǒng)計(jì)Tab.2 Elevation overlap statistics for each group

重疊區(qū)域占比達(dá)到60%以上可認(rèn)為近似滿足空間一致性要求，由上表可知了部雷達(dá)有1、2、3、4、5、7、8、9共8組仰角組合符合標(biāo)準(zhǔn)。

3 威寧雷達(dá)與昭通雷達(dá)回波強(qiáng)度對比

對比2018年5月發(fā)生在貴州省威寧縣及周邊地區(qū)出現(xiàn)的3次強(qiáng)對流天氣過程，分析數(shù)據(jù)資料選用2018年5月17日17時(shí)05分、5月17日17時(shí)28分、5月19日18時(shí)57分威寧雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)和對應(yīng)時(shí)間的2018年5月17日17時(shí)07分、5月17日17時(shí)30分、5月19日18時(shí)58分昭通雷達(dá)體掃基數(shù)據(jù)，體掃數(shù)據(jù)時(shí)間差均在2 min以內(nèi)，并選用昭通雷達(dá)1.5°仰角和威寧雷達(dá)0.5°仰角組合，再分別選取3個(gè)位于兩部雷達(dá)中點(diǎn)線上的回波強(qiáng)度進(jìn)行對比分析，這樣確保觀測到的目標(biāo)回波為同時(shí)間等距離回波[10]。

將3次過程中昭通雷達(dá)和威寧雷達(dá)在8組對應(yīng)仰角上的回波強(qiáng)度值進(jìn)行提取，并統(tǒng)計(jì)得出如表3中數(shù)據(jù)。

表3 不同距離處兩部雷達(dá)回波強(qiáng)度對比Tab.3 Comparison of Echo Intensity of Two Radar at Different Distances

由表3中3個(gè)不同距離回波強(qiáng)度的對比可以看出：威寧雷達(dá)的回波強(qiáng)度整體上較昭通雷達(dá)大，而且回波位置越遠(yuǎn)差值越大。

圖3 不同距離處兩部雷達(dá)回波差值對比曲線Fig.3 Contrast Curve Of Echo Difference Between Two Radars at Different Distances

為更加直觀反映出兩部雷達(dá)在不同距離處回波強(qiáng)度的差值變化，取24.7 km、24.9 km、29.2 km回波位置的8組回波強(qiáng)度差值的絕對值并繪制于圖3中，圖中橫坐標(biāo)1～8分別代表昭通雷達(dá)與威寧雷達(dá)的1.5/0.5、2.4/1.45、3.4/2.4、4.3/3.35、5.3/4.3、7.5/6.2、8.69/7.5、10/8.7 8組仰角組合，再利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法計(jì)算出兩部雷達(dá)在3個(gè)不同距離處反射率因子差值平均誤差和均方差。

表4 不同距離處回波差值分析Tab.4 Analysis of Echo Difference at Different Distances

由圖3、表4可知：兩部雷達(dá)同一位置處回波強(qiáng)度差值的離散度跟距離有一定的正比關(guān)系，即距離越遠(yuǎn)偏差離散度越大；回波距離較近時(shí)兩部雷達(dá)回波強(qiáng)度差值整體較小，且其偏差集中度較高。

4 原因分析

造成兩部雷達(dá)測值偏差的原因是多方面的，空間上昭通雷達(dá)海拔較威寧雷達(dá)低，盡管采用表2中仰角組合在中點(diǎn)位置處其觀測高度也比威寧雷達(dá)觀測高度低；時(shí)間上兩部雷達(dá)的觀測時(shí)間有一定偏差；另外，兩部雷達(dá)向中點(diǎn)位置傳播的電磁波路徑不一樣衰減也會不一樣[11]；不同型號雷達(dá)的定標(biāo)方法和地物雜波抑制等數(shù)據(jù)處理流程的差異等都會造成測值偏差。

5 總結(jié)

通過對兩部雷達(dá)在同一降水過程回波強(qiáng)度的對比，表明兩部雷達(dá)反射率因子測量值存在一定的誤差，且威寧雷達(dá)反射率因子整體較昭通雷達(dá)稍偏大；在對不同距離處回波強(qiáng)度的對比，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)回波距離雷達(dá)越近反射率因子誤差值越小，反之越大。這是因?yàn)槌死走_(dá)自身系統(tǒng)誤差、采樣空間差異、不同路徑衰減差外，兩部雷達(dá)的距離訂正、強(qiáng)度定標(biāo)也有一定的偏差。兩部雷達(dá)對近距離回波強(qiáng)度觀測值一致性較好，表明威寧雷達(dá)近距離反射率因子值可靠，不過由于可用個(gè)例的數(shù)量不足還無法給出具體參考的距離數(shù)值。